帶壓投球器的研制

劉國恒

（鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163000）

1 概述

縱觀大慶油田的開發(fā)歷程，套損問題一直影響著油田的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)[1]。油田自開發(fā)以來累計發(fā)現(xiàn)套損井18000多口，占投產(chǎn)井總數(shù)19.5%，目前仍有4000多口井待修[2]。水泥面控制工具的出現(xiàn)，極大地改善了大慶地區(qū)套損情況的發(fā)生，然而隨著固井技術(shù)的逐漸發(fā)展，頂替水泥漿過程中由于工藝改變，導(dǎo)致原有的水泥面控制工具使用方式不能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需求，因此需要能夠與水泥面控制工具配套使用的工具，來滿足新工藝條件下的帶壓投球的要求，在這種情況下，進行帶壓投球器的研制。

2 帶壓投球器設(shè)計

2.1 工作原理分析

帶壓投球器要求在使用水泥面控制工具時，在頂替水泥漿過程中不停泵帶壓投球，因此工具需要在投球過程中克服泵壓，將關(guān)閉球推送到水泥頭內(nèi)，由水泥漿將關(guān)閉球帶到水泥面控制工具關(guān)閉處，完成水泥面控制工具關(guān)閉動作。推送時，首先要保證工具整體密封，同時推送時，要有足夠的動力克服水泥漿阻力。

2.2 整體方案設(shè)計

帶壓投球器是基于現(xiàn)有的固井設(shè)備設(shè)計的，地面的各種固井參數(shù)不變。正常固井作業(yè)時，將帶壓投球器接于固井水泥頭上，常規(guī)頂替作業(yè)時關(guān)閉球儲存于工具內(nèi)部，根據(jù)計算的頂替量，需要投球時不停泵，直接帶壓投球，確認所有關(guān)閉球投入后關(guān)閉工具，完成后續(xù)固井作業(yè)。根據(jù)帶壓投球器的結(jié)構(gòu)組成可分為以下五個系統(tǒng)，即高壓密封系統(tǒng)、帶壓投球系統(tǒng)、儲球系統(tǒng)、殼體總成、連接系統(tǒng)。下文將對五種系統(tǒng)的設(shè)計過程進行詳細介紹。

2.2.1 高壓密封系統(tǒng)設(shè)計

高壓密封系統(tǒng)是整個工具的最基礎(chǔ)最重要的部分。針對可能遇到的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計出了如下幾種密封方式。

第一種是一體式密封方案，工具除與水泥頭連接部分外，全部采用一體式加工。

一體式密封方案將各個系統(tǒng)整合在一個密封的整體環(huán)境中，工具只需要做好連接部分的高壓密封即可，其他系統(tǒng)處在浸沒式的環(huán)境內(nèi)，不必考慮密封情況，優(yōu)點在于設(shè)計思路簡單；缺點在于一體式密封方案各系統(tǒng)設(shè)計方案受限，結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，且內(nèi)部與外部信號傳導(dǎo)困難，不易操作。

第二種是連通式方案，工具各系統(tǒng)獨立設(shè)計，獨立密封。

連通式方案將各系統(tǒng)獨立設(shè)計，需要考慮的各種施工過程中遇到的情況，且投球系統(tǒng)需要考慮動密封，如何在運動過程中保持密封是連通式方案的技術(shù)難點，該方案優(yōu)點在于信號傳輸方便，易于操作；缺點在于內(nèi)外環(huán)境連通，存在一定的安全風(fēng)險，可能會出現(xiàn)高壓液體激射傷人的情況。

2.2.2 帶壓投球系統(tǒng)設(shè)計

帶壓投球系統(tǒng)的作用是將關(guān)閉球投入到水泥頭內(nèi)，進入套管中，完成水泥面控制工具的打開和關(guān)閉，設(shè)計出了如下幾種帶壓投球方式。

第一種是預(yù)制動力投球方案，配合一體式密封方案，投球系統(tǒng)采用預(yù)置動力，由于一體式密封方案各個系統(tǒng)整合在一個密封系統(tǒng)內(nèi)，沒有內(nèi)外壓差，無需克服較大阻力即可完成投球動作，因此預(yù)置的動力無需太大，該方案的難點在于預(yù)置的動力在恰當(dāng)?shù)臅r間釋放，對現(xiàn)場施工工藝要求嚴格，設(shè)計的預(yù)置動力方案有以下幾種形式：

（1）遇水膨脹材料：在工具內(nèi)放置遇水膨脹材料，在水泥漿頂替過程中吸水膨脹，當(dāng)膨脹力大于儲球系統(tǒng)中的閥值時將小球噴射入水泥頭內(nèi)；

（2）膨脹性化學(xué)反應(yīng)：在工具內(nèi)預(yù)置可以發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體的化學(xué)藥品，在指定到達指定時間后，藥品隔離膜失效，藥品發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體，使氣囊膨脹，推動關(guān)閉球，完成投球動作。

預(yù)置動力投球方案優(yōu)點在于安裝后不需要進一步的人工操作，到達指定時間后工具自發(fā)完成投球動作；缺點在于兩種方案對于材料的多少控制對現(xiàn)場施工要求極為嚴格，一旦出現(xiàn)意外情況，帶壓投球器仍舊會按照原設(shè)計時間投球，導(dǎo)致投球無效。

第二種是后置動力投球方案，配合連通式密封方案，投球系統(tǒng)采用后置動力，所謂后置動力就是在需要投球的時候從外部施加一個外力，將球推出，完成投球動作。這種方案對于投球的時機的把握比較靈活，能夠很好地適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜施工情況，該方案的難點在于投球系統(tǒng)內(nèi)外壓差不平衡，由內(nèi)而外受到水泥漿的阻力，與此同時，投球系統(tǒng)還要保證提供動力時工具整體的密封不出現(xiàn)問題，設(shè)計的后置動力方案有以下幾種形式：

（1）活塞桿方式：采用活塞推進的方式，在活塞套上加密封圈，確?；钊\動過程中水泥漿不會在活塞桿處發(fā)生刺漏。該方案由于水泥漿壓力直接作用在活塞桿截面上，因此推動活塞桿需要較大的力，且需要確保內(nèi)側(cè)限位安全，保證活塞桿不會受力噴出，造成人員傷害；

（2）螺旋桿方式：采用螺紋旋進的方式，螺紋桿受到軸向力時不易噴出，旋進時所需力遠小于軸向受力，克服螺紋摩擦阻力即可，該方案難點在于螺紋桿的密封問題。

后置動力投球方式優(yōu)點在于投球時間可控，缺點在于需要增加一些操作，同時存在密封失效的可能。

2.2.3 儲球系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)儲球方式的不同設(shè)計以下兩種儲球系統(tǒng)：

第一種是包覆式儲球系統(tǒng)，將一個單元的球用容易破碎的紙袋包覆，固定在投球系統(tǒng)上，水泥漿達到指定頂替量時投出紙包，在水泥漿作用下紙包破裂，將球散入水泥漿內(nèi)，完成投球；

第二種是開放式儲球系統(tǒng)，將一個單元的球通過機械結(jié)構(gòu)儲存在工具內(nèi)，需要投球時，儲球系統(tǒng)伸出并釋放儲球，完成投球。

2.2.4 殼體總成設(shè)計

殼體總成是工具的骨架，將各個系統(tǒng)包容在安全可靠的環(huán)境內(nèi)，確保各系統(tǒng)動作正常，是投球的基礎(chǔ)；考慮現(xiàn)場施工條件，在滿足強度要求的情況下，殼體總成越短越細越輕，現(xiàn)場施工時越便利，因此殼體總成設(shè)計方案根據(jù)不同系統(tǒng)的搭配略有不同。

2.2.5 連接系統(tǒng)設(shè)計

連接系統(tǒng)的作用是將工具與水泥頭相連接，現(xiàn)有技術(shù)條件下連接方式有兩種：

第一種是通過由壬與水泥頭連接，這種方式不需要額外配置其它附件，在工具本體預(yù)置一個母扣接頭即可完成連接，與管線和水泥頭連接方式相同。

第二種是通過快速接頭的方式與水泥頭相連接，這種方式需要在工具前端預(yù)置彈簧等機構(gòu)，同時對這種快速接頭的密封也有較高要求。

2.3 結(jié)構(gòu)建模設(shè)計

綜合考慮上述五個系統(tǒng)設(shè)計方案的優(yōu)缺點，本著結(jié)構(gòu)簡單可靠、現(xiàn)場應(yīng)用簡便的原則，最終確定帶壓投球器采用連通式密封、螺旋桿式投球系統(tǒng)，開放式儲球系統(tǒng)、由壬式連接方式，殼體總成主要包括上本體、承壓本體、下本體三部分組成，投球單元主要包括連接螺紋套、密封螺紋桿兩部分組成，儲球單元主要包括擋桿、擋盤兩部分組成。

3 樣機組裝及室內(nèi)試驗

3.1 帶壓投球器樣機組裝

帶壓投球器樣機在大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院科研中試中心加工試制，根據(jù)現(xiàn)有的加工條件，對零件的部分細節(jié)進行優(yōu)化，便于加工樣機，進行室內(nèi)試驗。

3.1.1 帶壓投球器加工實物圖（見圖1）

3.1.2 帶壓投球器樣機的組裝

首先以承壓本體為基礎(chǔ)，上部加載螺紋連接套，然后連接密封螺紋桿與螺紋連接套，將擋桿和擋盤焊接后與密封螺紋桿前端推盤上預(yù)置孔焊接，再將上本體及連接配件與承壓本體螺紋連接，將O 型密封圈放入密封本體O圈槽中，共兩個，套在密封螺紋桿密封光面處，上端與承壓本體下部連接，完成樣機裝配。裝配過程中，要求絲扣部分均勻涂抹絲扣油，起潤滑、密封的作用。

3.2 帶壓投球器的室內(nèi)試驗

為了驗證帶壓投球器的工作性能，檢驗工具的可靠性和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)工具存在的問題，進行此次室內(nèi)試驗。

3.2.1 空載狀態(tài)下工具動作試驗

第一部分，投球動作試驗50次取平均效果記錄。

投球動作試驗，是在工具空載狀況下通過工裝旋動密封螺紋桿，完成投球動作，試驗情況如表1所示。

表1 空載狀態(tài)試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果來看，旋進剛啟動時，手旋進方式較為困難，通過扳手旋進，能夠有效減少旋進阻力，根據(jù)這種情況，后續(xù)試驗了桿式工裝及輪式工裝旋進，在力臂相同的情況下，旋進均較為順滑，輪式工裝優(yōu)勢在于連續(xù)式旋進，效率較高，但工裝體積較大，重量相對較重；桿式工裝優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單，效率雖低于輪式但效率降低率并不大，且桿式工裝體積較小，重量較輕，便于上井?dāng)y帶。因此，選用桿式工裝作為帶壓投球器的配套工裝。

第二部分，連接動作試驗20次。

連接動作試驗，是針對工具與水泥頭連接動作的試驗，目的在于發(fā)現(xiàn)工具在連接過程中出現(xiàn)的問題。

通過連接動作試驗發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計工具外徑與標準水泥頭連接配件不匹配，連接過程中極易發(fā)生卡頓，由于現(xiàn)場施工時定額人員一名，因此需要一只手扶著工具，一只手進行連接，工具重量對人員的手臂力量有較高要求，因此，為了解決上述兩個問題，將工具外徑在安全系數(shù)滿足要求的前提下，進行了簡化，減輕了重量，增加了與配件之間的回轉(zhuǎn)間隙，便于完成連接動作。

3.2.2 工具承壓極限試驗

工具承壓極限試驗是一種破壞性的試驗，首先將所有承壓零件進行浸沒式加壓，在靜止情況下，所有承壓零件承壓極限如表2 所示（20 次試驗取平均效果）。完成后將工具注滿請示后與加壓工裝連接，進行加壓，由于高壓較為危險，因此，只進行了40MPa時帶壓投球動作試驗，承壓能力遠高于現(xiàn)場20MPa 應(yīng)用所需求的承壓能力，見表3。

表2 承壓極限結(jié)果

表3 投球動作試驗結(jié)果

通過試驗發(fā)現(xiàn)，O型密封圈處能夠承受較大壓力，承壓薄弱處在連接螺紋部分，主要影響因素在于加工時零件的加工質(zhì)量及絲扣清理及涂油狀態(tài)。針對這種情況，以后的工具組裝調(diào)試過程時首先使用油污清洗劑進行絲扣表面清理，通過細砂紙打磨，確保絲扣不存在毛刺等影響密封的因素，同時現(xiàn)場用工具一律使用厭氧密封膠均勻涂抹絲扣，保證絲扣連接強度的同時，保證絲扣處密封。

3.2.3 帶壓狀態(tài)下工具動作試驗

帶壓狀態(tài)下工具動作試驗是指在保持20MPa狀態(tài)下進行投球動作，首先設(shè)計一個模擬水泥頭，內(nèi)徑等于常規(guī)固井水泥頭內(nèi)徑，在憋壓狀態(tài)下，進行投球，泄壓后完成動作試驗，觀察尼龍球是否能夠順利投出，常規(guī)關(guān)閉球密度低于清水密度，頂替時由水流攜帶到關(guān)閉位置，但是帶壓狀態(tài)下工具動作試驗是靜止憋壓狀態(tài)，因此需要使用密度高于清水的關(guān)閉球，使關(guān)閉球沉于底部，便于觀察，在20MPa旋進三周條件下，結(jié)果如表4所示。

表4 投球動作試驗結(jié)果

3.2.4 模擬水泥頭連接試驗

模擬水泥頭連接試驗是將工具與模擬水泥頭相連，本次試驗?zāi)康氖菫榱蓑炞C樣機在現(xiàn)場與水泥頭連接時工具結(jié)構(gòu)是否合理，經(jīng)驗證，工具重量在可接受范圍內(nèi)，連接時雙手定位，單手扶正，單手連接完全可以做到，證明工具設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，重量和強度匹配。

4 現(xiàn)場試驗及優(yōu)化完善

帶壓投球器由現(xiàn)場服務(wù)人員在固井前將投球器與水泥頭安裝，為了減少現(xiàn)場施工人員的勞動強度，對投球器結(jié)構(gòu)和尺寸進行了優(yōu)化，通過優(yōu)化設(shè)計，投球器總長580mm，總質(zhì)量為7.5kg，滿足現(xiàn)場施工一人可進行安裝和投球操作。帶壓投球器在現(xiàn)場應(yīng)用的三口井投球成功率均為100%，固井碰壓后中停時間縮短至半分鐘以內(nèi)。固井施工連續(xù)性得到進一步提高，有利于固井質(zhì)量的提高。

固井時提前在投球器里預(yù)裝入尼龍球，投球器和固井水泥頭連接，一替期間投球器擋盤會將尼龍球和水泥頭隔離開，一替后通過人工旋轉(zhuǎn)搖把使推盤推動尼龍球向前移動的同時將擋盤打開，將預(yù)裝的尼龍球全部推入水泥頭內(nèi)，達到投球目的。投球器額定承受壓力30MPa，投球后無需拆卸，整個投球過程可以在30s內(nèi)完成。

改變了原有的控制水泥面工具傳統(tǒng)的投球方法，縮短了投球時間，保證了固井施工連續(xù)性和安全性，減小了勞動強度，有利于固井質(zhì)量的提高。

5 結(jié)論

本文基于水泥面控制技術(shù)提出了一種配套輔助裝置——帶壓投球器。在深入調(diào)研的基礎(chǔ)上，對帶壓投球器各主要系統(tǒng)做了詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論研究，研究過程中所取得的主要結(jié)論有：

（1）由于固井工藝改變，需要在帶壓條件下，提前投球關(guān)閉工具，帶壓投球器可以滿足水泥面控制工具在應(yīng)用過程中產(chǎn)生的新的要求，因此帶壓投球器可以作為水泥面控制工具的標準配件常備；

（2）帶壓投球器工藝簡單，結(jié)構(gòu)可靠，可以滿足現(xiàn)場使用條件且成本較低，有利于大量推廣。